项目式驱动“视觉伺服控制”课程的教学方法探究

摘要：“视觉伺服控制”是机器人工程专业大四开设的专业选修课，是对机器人系统实现智能化的主要课程之一。课程综合性较强，涵盖的知识面广，基本概念多，系统设计和动手实践要求高，针对以上特点，课程采用项目驱动式教学法引导学生开展课程学习。教学实施过程中重视学生发现问题、解决问题的实践能力培养，学生参与度高，有效激发了学生对课程和专业领域的兴趣，提升了专业技能，增强了专业自信，对学生毕业设计和就业起到了积极正向的作用。

关键词：视觉伺服控制；机器人工程；项目驱动

ResearchonTeachingMethodofProjectDrivenVisualServoControlCourse

SunXiaoyuRongAiqiongPengYiwenZhouHongfu

SchoolofMechanicalEngineeringandRoboticsEngineering，GuangzhouCityUniversityofTechnology

GuangdongGuangzhou510800

Abstract："VisualServoControl"isaprofessionalelectivecourseforseniorstudentsmajoringinrobotengineering，anditisoneofthemaincoursestorealizetheintelligentrobotsystem.Thecurriculumiscomprehensive，coveringawiderangeofknowledge，basicconcepts，systemdesignandpracticalrequirements.Inviewoftheabovecharacteristics，thecourseadoptsprojectdriventeachingmethodtoguidestudentstocarryoutcurriculumlearning.IntheprocessofteachingimplementationdiyT3Udw4FWeTTtH82flBYk9PQF2+ERKK+VUfCoDfJs=，attentionispaidtothecultivationofstudents'practicalabilitytofindandsolveproblems，andstudents'participationishigh，whicheffectivelystimulatesstudents'interestincoursesandprofessionalfields，improvesprofessionalskillsandenhancesprofessionalselfconfidence，andplaysapositiveroleinstudents'graduationdesignandemployment.

Keywords：visualservocontrol；robotengineering；projectdrive

1概述

“视觉伺服控制”课程是机器人工程专业本科学生专业方向之一。结合专业方向培养目标及就业需求，在大四上学期开设“视觉伺服控制”课程，共32学时。机器人的控制分为机械本体控制和伺服机构控制两大类，伺服控制系统是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。随着计算机视觉的发展，基于视觉的伺服控制系统在无人系统中得到关注及广泛应用［1］。

视觉伺服控制是使用闭环控制环节中的计算机视觉数据来控制机器人运动，引导机器人去完成一项工作。把视觉传感信号嵌入在机器人的伺服循环中，通过对视觉特征的控制，实现对机器人的定位闭环控制，从而完成引导任务。伺服任务可根据需求定义来满足不同场合需求。视觉是实现机器人人工智能的主要途径之一［23］。

“视觉伺服控制”课程的先修课程有“机器人学”“机器视觉”“控制理论”“电机控制”等专业核心理论课程，是机器人系统智能化的主要课程之一，是一门理论集合实践综合性较强的科目。课程涵盖的知识面广、基本概念多、系统设计和动手实践要求高。因此，研究适合机器人工程专业技术课程规律和特点的教学方法，对培养高素质机器人工程专业人才和提高整体教学水平十分重要。针对课程以上特点，该门课程采用的是项目驱动式教学法，提高了学生的理论联系实际能力、创新思维、团队协作能力等。

2项目驱动式教学方法

项目式教学法［45］指一种以师生共同完成一个项目为形式安排教学活动的方法，其显著特点是以项目为主线，在教师的引导下，以学生为主体来完成教学任务。有别于传统教学，在项目式教学中学生的参与度高，重视学生发现问题、解决问题的实践能力培养。这种教学模式符合新工科工程教育要求，学生能有效地将书本上的知识运用到解决实际的复杂的工程问题中，同时激发了学生对课程和专业领域的兴趣，提升了专业技能，增强了专业自信，对学生毕业设计和就业起到了积极正向的作用。

在教学过程中，教学设计的内容以项目为依托，实施过程中学生是主体，教师进行指导和答疑。学生在完成项目过程中需要理解项目、收集资料、进行调研、设计实施方案和实现项目最终的目标。通过该过程，作为主体的学生得到了充分的锻炼，具体要点体现在：

项目驱动式学习：课程设计以项目为中心，鼓励学生探索并解决实际问题。例如，设计完成一个机器人视觉伺服系统：基于视觉伺服的机械臂开锁、基于视觉伺服的无人机定点降落等项目设计。项目设计的宗旨都是让学生应用视觉伺服控制的技术来完成任务。

理论结合实践：课程项目强调理论知识与实际应用之间的紧密联系。在教学过程中，将理论课程与实践项目相结合。如学生在完成上述实际的机器人视觉和控制项目中，需要对前序课程知识机器人动力学、机器视觉和控制理论等专业知识进行综合应用与实践。

创新思维：项目式学习鼓励学生创新思考，提出技术解决方案。该项目鼓励同学用不同的方法完成，如使用MATLAB或ROS建模仿真，利用软件模拟工具建模能更好地帮助同学理解理论实现过程。通过仿真指导实物制作，或者仿真环境与实物相结合，提高视觉伺服系统设计精度。

方案分析：每个项目组可完成相同的题目，在实现的过程中设计方法和实现过程会有不同；同样地，每个组可能完成不同项目，在实现过程中可能解决问题方法和思路有相似之处。在项目实施过程中，课堂上组织学生进行技术分享、交流和结果分析，有助于同学们在项目实施过程中不断地调整、修正、相互学习。

团队合作：完成项目通常需要学生分组合作，培养团队协作和沟通技能。

持续的评估和反馈：项目式学习需要持续的评估和反馈机制。教师可以定期检查学生的进展，提供指导和建议，帮助他们克服遇到的困难。

图1项目式驱动教学要点

3项目驱动式教学实施

课程建设遵循学生学习规律，注重BLOOM课程设计方法，同时关注两性一度的问题，即在课程中同样关注高阶性、创新性和挑战度。

项目驱动式教学对于“视觉伺服控制”课程本身而言是前序学科的综合应用，它要求对机器视觉、控制理论等课程的部分内容熟悉掌握。在实施过程中注重学生知识能力素质有机融合，培养学生解决有关视觉伺服控制系统问题的综合能力、能够独立自主进行系统改进的高级思维。

课程内容理论结合实际应用，在基础内容之上引导学生关注课程和学科的前沿技术，教学过程中鼓励同学与教师交流，与学生共同发掘感兴趣的有探究性的问题。鼓励学生独立进行完整的系统设计，包括仿真层面的设计和实物实现，能够设计出具有创新性的和有一定挑战度的项目。

注重课程资源建设和课程内容积累，在学生课堂、学生创新项目开展的情况下，不断迭代增加课程仿真和实物项目库。该项目实施过程可分为授课部分和实践指导部分。

（1）项目选题：探索视觉伺服知识理论与项目实践相结合的教学模式，分析需求的条件。在项目选题及实施过程中锻炼学生的综合能力，通过知识理解、问题提出、资料查询、提出问题、命题归纳、研究内容、技术路线、仿真研究、协作分析和解决问题等方式组织教学。课程形式呈现多元化，包括课堂教学、问题研讨、学生报告等相结合。

教师选题和自主选题均可。教师提供的选题包括机械臂机器人、移动机器人、飞行机器人等。要求项目的开展可模拟仿真实现，亦可制作实物。

（2）学生分组：分组人数要求5～7人。在项目实施期间，学生可共同学习全过程，也可分工合作负责不同模块。要求对于没有负责的模块也要了解其原理。在不同阶段，不同同学完成不同内容的汇报，如文献综述、方案设计、视觉模块、控制模块等。

（3）任务要求：各小组根据任务要求设计项目功能实现的方案路线、模块选择、完成任务设计与编程，组内研讨项目任务的难点问题，共同提出解决思路。小组成员根据个人兴趣方向选择项目任务，成员之间需明确任务分配，各个任务相关联成员之间必须紧密合作，努力在不同项目节点完成所属任务。

（4）项目开展形式：项目实施的整体思路为课程理论→模拟仿真→实物实践课程模式，真正地完成本项目提出的讲→练→实践三环节，为学生提供独立思考、动手实践，理论与实际结合验证的机会；也为能够提出创新型和挑战度难度项目的同学提供实践平台。从而体现课程设计具有先进性和互动性，学生学习结果具有探究性和个性化，实现创新思维能力培养。

图2项目驱动流程图

4项目驱动式教学成效

通过项目式驱动式教学，学生完成了不同的项目课题。以排球机器人和无人飞行器目标跟踪两个主题为例来说明课程实践过程，在两个项目中学生分成三个方向：视觉组、电控组兼顾仿真、机械组。项目小组同学能够查找资料、独立思考、动手实践，将理论与实际结合进行验证，项目为同学提供课程设计实践平台。课程设计内容均具有一定的高阶性、创新性和挑战度，学生在课程实施过程中不断探究，提出个性化设计方案并实践，实现了创新思维能力培养。

4.1排球机器人

此项目为排球机器人接球、对打。完成任务需采用操作臂+移动底盘机器人的结构。基于视觉伺服控制，学生完成的内容有：使用视觉系统完成目标排球识别。对于排球比赛，视觉识别排球和排球运动轨迹，将轨迹信息作为驱动移动地盘和操作臂伺服系统的输入信号。视觉系统反馈信息为移动底盘提供伺服控制策略必需的反馈信号。目前已完成底盘移动机器人视觉伺服跟踪部分。当视觉系统检测到排球后，根据检测信息，判断接球的运动轨迹，底盘伺服控制系统做出相对回应。学生完成移动底盘路径规划和操作臂跟踪，但在机器视觉实现排球轨迹跟踪方面不够精确，不能完全实现自主接球、对打，响应速度有一定误差。

4.2无人飞行器

此项目为实现四旋翼系统的硬件搭建、目标跟踪等功能。项目小组从零开始，以分组的形式推进项目任务和学习。该项目已在ROS系统中完成四旋翼飞机视觉目标跟踪功能，完成四旋翼飞机硬件搭建。

无人机跟踪的原理是基于无人机通过视觉传感器获取目标物体的位置信息。根据位置信息，通过控制算法调整无人机的飞行状态和姿态，使其保持与目标物体的合适距离和角度。该项目在精度方面，无人机能够准确地飞向指定的目标点，并在一定的误差范围内保持稳定；在稳定性方面，无人机在飞行过程中能够稳定地跟踪目标，并通过PID算法进行动态调整，减小姿态偏差；在实时性方面，无人机能够及时响应控制指令，实现实时的飞行状态调整。综合评估结果显示，该无人机跟踪系统具有较高的精度、稳定性和实时性，能够满足实际应用需求。课程过程中，学生通过实践提出了课程结束后可进一步改进完善，进一步优化算法和系统，提高跟踪效果和性能。项目小组的同学计划继续进行该项目，并延伸至毕设课题，将搭建更完善的基于视觉伺服的无人飞行器系统。

结语

“视觉伺服控制”课程采用项目驱动式教学方法在教学中探索、实践，提高了教学质量。教学实施过程中重视学生提出问题、解决问题的能力。学生参与度高，能够激发学生对课程和专业领域技术的兴趣，提升了专业技能，增强了专业自信，激发了学习潜力。

参考文献：

［1］PeterCorke.Robotics，VisionandControl［M］.Beijing：PublishHouseofElectronicsIndustry，2016.

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［2］朱福康，丛明，刘毅，等.基于RGBD图像的机器人无标定视觉定位［J］.计算机集成制造系统，2019，25（08）：20072015.

［3］YAOBW，MillsJK.Automatedrealtime3dvisualServoingcontrolofsinglecellsurgeryprocesses［Z］.2021IEEEInternationalConferenceonMechatronicsandAutomation（IEEEICMA2021），2021：218223.

［4］冷淑君.关于项目教学法的探索与实践［J］.教育学术月刊，2007（07）：119120.

［5］杜文海，李爱琴，吴波.以学生为中心、以项目为导向的教学改革与实践：以新能源技术及应用课程为例［J］.化工高等教育，2020，37（2）：97102.

基金项目：2022年广州城市理工学院质量工程项目立项：《视觉伺服》课程项目式教学模式探索（项目编号：JY220108）

作者简介：孙晓雨（1983—），女，辽宁丹东人，博士，讲师，研究方向：智能机器人技术。